Секция: Методика и результаты обучения в области образовательной и практической робототехники в средней и старшей школе

Изучение колебаний в школьном курсе физики с использованием робототехнического оборудования

Ершов Михаил Георгиевич

Учитель физики, зам. директора. МАОУ "Средняя общеобразовательная школа №135". Пермский Край 
er4@rambler.ru

Тезисы:

Ершов М.Г., аспирант ПГГПУ, учитель физики МАОУ «СОШ № 135»
Дерюшев А.Ю., студент физического факультета ПГГПУ
Чурилов О.Н., студент физического факультета ПГГПУ

ИЗУЧЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Роль и место образовательной робототехники в современной системе образования значительно расширяется. Она объединяет классические подходы к изучению основ техники и современные направления учебной практики: моделирование, программирование, информационно-коммуникационные технологии и технологии искусственного интеллекта. Использование традиционного оборудования кабинета физики и робототехнических конструкторов дало возможность увидеть новые возможности в постановке автоматизированного демонстрационного и лабораторного эксперимента с использованием современных оборудования и методов обработки и отображения результатов исследований. Для наиболее полного достижения целей образовательной робототехники, учебные роботы в школьном курсе физики должны быть представлены не только как средство практической деятельности школьников, но и как объект теоретического изучения. Большинство датчиков робототехнических наборов, а также исполнительных элементов роботов имеют физические принципы действия, которые изучаются в школьном курсе физики, поэтому, например, при изучении соответствующих тем целесообразно акцентировать внимание на практическое использование законов в современной технической области.
В 2013 году в Пермском государственном гуманитарно-педагогическом университете стартовал проект «ПГГПУ в системе научно-методического, кадрового и ресурсного обеспечения развития образовательной робототехники как технологии обучения и средства профессиональной ориентации школьников на инженерно-технические специальности». Научный руководитель проекта - доктор педагогических наук, профессор Оспенникова Елена Васильевна. Одной из целей проекта является разработка учебно-методического сопровождения практики внедрения робототехники в школьный курс физики и апробация модулей учебно-методического сопровождения в учебном процессе по предмету. На данный момент разработано пять таких модулей по пяти темам школьного курса. В состав модуля входит: описание учебной демонстрации; описание лабораторной работы, в которой представлено три уровня сложности выполнения работы в зависимости от уровня владения школьников навыками конструирования и программирования роботов; описание конструкции, демонстрирующей применение явления или закона в технической сфере; проектное задание, которое предполагает усложнение конструкции и функций робота по сравнению с предыдущими вариантами.
Рассмотрим в качестве примера применение образовательной робототехники при изучении механических колебаний тела на нити. В разработанной установке реализуется несколько исследовательских сценариев, в которых предусматривается различная степень участия детей в планировании, разработке и проведении физического эксперимента. Степень сложности установки (количество измеряемых параметров, варианты вывода полученных в опыте данных, степень автоматизации и др.) зависит от цели использования установки.
В более простом варианте роботизированный эксперимент «Механические колебания маятника на нити» используется как демонстрационный с целью иллюстрации объяснения учебного материала. На этой же установке возможно проведение лабораторной работы практикума. В усложненном варианте эту установку можно использовать для выполнения учащимися исследовательского проекта, в том числе в рамках элективного курса по физике или факультатива.
Рассмотрим особенности данного эксперимента. Колебания тела на нити отслеживаются датчиком света или расстояния. Длина нити определяется датчиком расстояния. Отдельный датчик на подвижной основе может фиксировать амплитуду колебаний. В автоматическом режиме устанавливается регулировка длины нити и система запуска колебаний. Вывод результатов эксперимента на экран микропроцессорного блока осуществляется в виде численных значений и на экран компьютера в виде графика зависимости показания датчиков от времени. Установка дополнительного двигателя, организующего вынужденные периодические колебания тела, позволяет провести исследование по выявлению условий возникновения механического резонанса.
При работе с данной установкой учащимися могут быть выполнены следующие задания: 1) определение периода и частоты колебаний маятника; 2) выявление зависимости частоты колебаний маятника от длины нити и ускорения свободного падения; 3) независимость частоты колебаний от массы тела и амплитуды колебаний (при малых колебаниях); 4) выявление условия возникновения резонанса (автоматизация изменения частоты действия вынуждающей силы и длины нити, автоматическое определение резонансной частоты для заданной длины нити).
Возможности применения робототехнических конструкторов в учебном процессе достаточно широки и их реализация требует от учителя серьезной методической и технической подготовки. Важно координировать усилия средних общеобразовательных учреждений, вузов, органов управления образованием и промышленных предприятий с целью развития технического мышления школьников средствами образовательной робототехники, формирования интереса к технике и ориентации на выбор инженерных профессий.

Доклад:

Ершов М.Г., аспирант ПГГПУ, учитель физики МАОУ «СОШ
№ 135»

Дерюшев А.Ю., студент
физического факультета ПГГПУ

Чурилов О.Н., студент физического факультета ПГГПУ

 

 

ИЗУЧЕНИЕ КОЛЕБАНИЙ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

 

Роль и место образовательной
робототехники в современной системе образования значительно расширяется. Она
объединяет классические подходы к изучению основ техники и современные
направления учебной практики: моделирование, программирование, информационно-коммуникационные
технологии и технологии искусственного интеллекта. Использование традиционного
оборудования кабинета физики и робототехнических конструкторов дало возможность
увидеть новые возможности в постановке автоматизированного демонстрационного и
лабораторного эксперимента с использованием современных оборудования и методов
обработки и отображения результатов исследований. Для наиболее полного
достижения целей образовательной робототехники, учебные роботы в школьном курсе
физики должны быть представлены не только как средство практической
деятельности школьников, но и как объект теоретического изучения. Большинство
датчиков робототехнических наборов, а также исполнительных элементов роботов
имеют физические принципы действия, которые изучаются в школьном курсе физики,
поэтому, например, при изучении соответствующих тем целесообразно акцентировать
внимание на практическое использование законов в современной технической
области.

В 2013 году в Пермском государственном
гуманитарно-педагогическом университете стартовал проект «ПГГПУ в системе
научно-методического, кадрового и ресурсного обеспечения развития
образовательной робототехники как технологии обучения и средства
профессиональной ориентации школьников на инженерно-технические специальности». Научный руководитель проекта -  доктор педагогических наук, профессор  Оспенникова Елена Васильевна. Одной из целей проекта является   разработка учебно-методического сопровождения
практики внедрения робототехники в школьный курс физики и апробация модулей
учебно-методического сопровождения в 
учебном процессе по предмету. В состав модуля входит:

·            
описание учебной демонстрации;

·            
описание лабораторной работы, в которой
представлено три уровня сложности выполнения работы в зависимости от уровня
владения школьников навыками 
конструирования и программирования роботов;

·            
описание конструкции, демонстрирующей применение
явления или закона в технической сфере;  

·            
проектное задание, которое предполагает усложнение
конструкции и функций робота по сравнению с предыдущими вариантами.

Каждый модуль
кроме методической разработки имеет электронное сопровождение, в состав
которого входят примеры пошаговой сборки конструкций, выполненные в программе «LEGO Digital Designer,», а также сами
проекты этой программы, примеры управляющих программ, фото и видео готовых
проектов на базе конструкторов Mindstorms NXT и EV3.

На данный
момент разработано пять таких модулей по пяти темам школьного курса: изучение
свободных колебаний, изучение вынужденных колебаний, измерение ускорения,
изучение постоянных магнитов, изучение блока.

Далее
приведён фрагмент модуля по изучению вынужденных колебаний.

 

 

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Тема:  Вынужденные колебания

9 класс

Часть 1. Учебная демонстрация

« Явление  резонанса»

 

Цель демонстрации:  иллюстрация  явления резонанса с применением оборудования
по образовательной робототехнике.

Оборудование:
шарик на нити,  штатив лабораторный – 2 шт., базовый и
ресурсный наборы Lego Mindstorms (NXT или EV3), датчики касания и  расстояния.

Базовая
конструкция

Роботизированная установка для демонстрации явления
резонанса представляет собой модификацию традиционной экспериментальной
установки, содержащей математический маятник с добавлением в конструкцию
устройств для создания вынужденных колебаний, управления длинной нити с
применением с  установленными управляющими
элементами. Установка может быть
собрана на базе микропроцессорного блока EV3 или NXT и иметь различные конструктивные решения. На
рис. 1 показан пример экспериментальной установки для демонстрации явления
резонанса, собранной на базе конструктора Lego Mindstorms с микропроцессорным блоком NXT.

 









 
 





Рис. 1.
 


Рис. 2.
 






На рис. 2 представлен
пример экспериментальной установки для демонстрации явления резонанса, собранной
на базе Lego Mindstorms EV3.

Основными функциональными частям этой  установки являются два электродвигателя, которые
крепятся в лапки штатива в верхней части установки. Первый электродвигатель  задаёт частоту внешних воздействий на маятник,
а второй вращает катушку с нитью для регулирования длины нити маятника (рис. 3,
4). Для управления вторым двигателем может использоваться
третий двигатель, подключенный ко второму кабелем напрямую (рис. 6).  В этом случае третий двигатель работает в
режиме генератора и к нему крепится дополнительный элемент для ручного вращения.
Либо второй двигатель, регулирующий длину нити, может управляться через
микропроцессорный блок обычным образом, но в этом случае понадобятся
дополнительные элементы управления этим двигателем, например, ещё одна пара
датчиков касания.  Существует также
вариант ручного вращения второго двигателя.

В верхней части установки крепится датчик
расстояния, который фиксирует длину маятника в момент запуска программы. Для
этого надо в момент запуска программы на уровне шарика горизонтально
расположить ладонь руки или любой плоский предмет.  Рядом с датчиком располагается
микропроцессорный блок (рис. 6)  с закрепленными
на нем управляющими кнопками (рис. 5, 6).

 
















Рис. 3. Электродвигатели на штативе, лебёдка и устройство раскачивания
маятника  (на базе NXT)



Рис. 4. Крепление  электродвигателей (на базе NXT)









 



Рис. 5. Микропроцессорный
блок с управляющими кнопками.

 

 

 














    Рис. 6. Третий электродвигатель. Управляющие
кнопки.

 



Рис. 7. Установка с
датчиком света на базе EV3.







При запуске компьютерной
программы управления установкой  двигатель, отвечающий за создание колебаний,
начинает, с минимальной частотой, раскачивать маятник. Регулируя частоту внешних воздействий кнопками микропроцессорного блока
или датчиками касания (в зависимости от выбранного варианта конструкции) можно
исследовать поведение маятника при различных значениях частоты вынуждающей
силы.

В ходе демонстрации на
экран микропроцессорного блока выводятся: длина маятника, частота его свободных
колебаний, которая рассчитывается автоматически с учетом значения его длины, и
частота вынуждающей силы.

При совпадении частоты свободных колебаний маятника
и частоты вынуждающей силы  амплитуда
колебаний маятника значительно возрастает (обнаруживает себя явление резонанса).

Опыт можно провести с маятниками разной длины.
Длина маятника регулируется  рукояткой
«двигателя-ворота» (рис. 6).

 

Изменения и дополнения к базовой
конструкции

·      
В  экспериментальной установке штатив может быть
собран из деталей базового набора LEGO.

·      
Маятник тоже может 
быть  представлен элементом
(деталью)   конструктора LEGO

·      
Регулировка (изменение) частоты вынуждающей силы может
осуществляться не только  с помощью датчиков
касания, но и управляющими кнопками микропроцессорного блока.

·      
Целесообразно «двигатель-ворот», с которым
экспериментатор работает фактически 
вручную, запускать с управляющей кнопки и добиться пошагового
укорачивания (удлинения) длины нити маятника.

·       В данной установке для отображения на большом
экране результатов измерений и вычислений, выводимых на экран микропроцессора,
можно  использовать  документ-камеру или веб-камеру.

·      
Пошаговая инструкция по
сборке устройства для запуска шарика представлена в приложении к модулю «Изучение
вынужденных колебаний. Инструкция выполнена 
в программе LEGO Digital Designer. (рис 8).

 



Рис. 8. Общий вид конструкции при просмотре  инструкции по сборке робота

 

Если на Вашем компьютере
установлена программа LEGO Digital Designer, то можно запустить проект
конструкции программы, выполненной в версии 4.2 
и познакомиться с трёхмерным изображением конструкции и отобразить
пошаговую инструкцию сборки. В приложении также представлены фотографии других
конструкций экспериментальной установки для исследования явления резонанса,
созданных   на базе Lego Mindstorms
с  микропроцессорами  NXT и EV3.

 

Компьютерная
программа для учебной демонстрации

«Определение
условий  возникновения явления резонанса»

Для работы с  экспериментальной установкой можно
использовать любое программное обеспечение, предназначенное для конструкторов
Lego Mindstorms. Программу для управления экспериментом можно написать
самостоятельно или использовать готовую.

В приложении  к модулю находятся примеры готовых программ
для конструкторов на базе NXT и EV3, 
написанные на стандартном программном обеспечении для конструкторов Lego
Mindstorms. Внешний вид  фрагмента управляющей
программы представлен на рис. 9.



Рис. 9. Управляющая
программа

 

Условно, в программе
можно выделить  три основных  функциональных блока.

Первый блок отвечает за начальную инициализацию используемых переменных и
состояние установки до начала эксперимента.

Второй блок обеспечивает операцию  определения (или регулирования) длины нити. С
помощью управляющих кнопок или кнопок микропроцессорного блока,  а также вручную (в зависимости от варианта
сборки) можно установить подходящую длину нити. Значение длины маятника  вводится на  дисплей микропроцессора.

Третий блок занимается расчетом значений значения частоты и периода свободных
колебаний и выводом их на дисплей микропроцессора сразу после того, как длина
нити становится известной.

Четвертый блок рассчитывает и выводит на дисплей блока  частоту колебаний вынуждающей силы.

Все четыре блока  программы 
имеют собственные характеристики, которые можно изменять при
проектировании хода эксперимента.

При работе с программой
необходимо просмотреть  все ее блоки и
задать требуемые характеристики их работы.

Файл программы для NXT представлен в электронном приложении к модулю.

 

Порядок
проведения демонстрационного эксперимента

 


Привести  маятник  исходное положение (положение покоя).
Запустить программу
Измерить длину нити.
Для этого необходимо поднести планшет (экран) к маятнику (это делается для
того, чтобы сработал  датчик
расстояния).
Зафиксировать
показания датчика расстояния («L=», экран микропроцессора).
Зафиксировать
рассчитанные  значения частоты и
периода свободных  колебаний
маятника  («Tt=», «Vt=»,  экран
микропроцессора).
Центральной кнопкой
микропроцессорного блока привести маятник в движение. В начале опыта
автоматически устанавливается минимальная частота вынужденных колебаний
маятника.
Зафиксировать значения
частоты и периода вынужденных колебаний. («Te=», «Ve=»,  экран микропроцессора).
Добиться явления
резонанса, последовательно изменяя частоту вынужденных колебаний.
Протестировать
полученный результат,  т.е.
рассчитать самостоятельно, воспользовавшись калькулятором, значение частоты
и периода свободных  колебаний маятник
 по формулам: 2π√(L/g); T = 1/v.


В электронном приложении
также имеется видеоролик, на котором  видно, как при запуске программы измеряется
длина нити, затем запускается электродвигатель, задающий вынужденные колебания
и производится автоматический подбор резонансной частоты.

 

Часть 2.
Лабораторная работа «Исследование явления резонанса»

 

Вариант 1

Цели
работы:


Познакомиться со способом  демонстрации явления резонанса для
маятника на нити с применением роботизированной экспериментальной
установки.
Приобрести опыт сборки роботизированной конструкции для исследования
условий возникновения явления резонанса (предлагается инструкция по сборке
установки).
Научиться управлять  работой
лабораторной установки с помощью «готовой» компьютерной программы,
фиксировать показания датчиков и проверять правильность расчетов.




            Оборудование: шарик
на нити, штатив с муфтой и лапкой,  экран (15×15 см), Набор Lego Mindstorms (EV3 или NXT), 
ноутбук.

 

Инструкция по сборке конструкции и
использованию программы:



1.    
Собрать установку (рис. 11),
используя пошаговую инструкцию (см. приложение «04_Инструкции по сборке» (адрес файла: 04_Инструкции по сборке\Инструкции в HTML\Узел с моторами\Building Instructions [No Name].html). Полезно посмотреть интерактивную
трехмерную  модель собранной конструкции
(см. приложение «04_Инструкции по сборке» (адрес файла: 04_Инструкции по сборке\Проекты Lego Digital
Designer\Сборка.lxf). Для запуска данного файла необходимо установить
программу «Lego Digital Designer». Штатив можно собрать из деталей набора.

 



Рис.
11. . Общий вид  установки для
демонстрации явления резонанса

собранной на базе
конструктора Lego Mindstorms с микропроцессорным блоком NXT

 



2.    
Закрепить конструкцию на
штативе

3.     Подключить микропроцессорный блок к датчикам и
компьютеру (см.
приложение  «03_Управляющие программы» / EV3 или NXT/ readme).

4.     Загрузить программу в микропроцессорный блок и
проверить работоспособность   установки (см.  приложение 
«[url="file:///C:/Users/%D0%9C%D0%93/YandexDisk/_%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0/%D0%94%D0%BB%D1%8F%20%D0%B4%D0%B8%D1%81/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8%202014/03_%D0%A3%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D1%8F%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B5%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D1%8B"]03_Управляющие программы[/url]» к
модулю «Резонанс»,  в котором
представлены примеры готовых программ для конструкторов на базе NXT и EV3 и
инструктивные материалы по использованию этих программ, включая информацию по
подключению моторов и датчиков, см. приложение 
«03_Управляющие
программы» / EV3 или NXT/ readme.»). Программа
выбирается в соответствии с  используемым
конструктором.

5.    
Запустить программу.
Установить и зафиксировать значение длины нити.

6.    
Проверить расчетные  значения частоты и периода свободных
колебаний маятника по формулам: 2π√(L/g); T = 1/v.

7.    
Изменяя частоту
вынуждающей силы добиться возникновения явления резонанса. Зафиксировать  частоту 
вынуждающей силы при резонансе. 
Сравнить ее с частотой свободных колебаний маятника данной длины.
Сформулировать вывод.

8.    
Изменить длину маятника.
Повторить эксперимент.

9.    
Сформулировать   вывод: 
указать условия,  при которых
возникает явление резонанса.

Вариант 2

Цели
работы:

1.     Познакомиться со способом  демонстрации явления резонанса для маятника
на нити  с применением роботизированной
экспериментальной установки.

2.     Приобрести опыт сборки роботизированной
конструкции для демонстрации  резонанса
(предлагается инструкция по сборке установки).

3.     Научиться 
самостоятельно составлять программу для 
управления лабораторной установкой.

4.     Научиться управлять  работой лабораторной установки с помощью
«готовой» компьютерной программы, фиксировать показания датчиков и проверять
правильность расчетов.

Оборудование:
шарик на нити, набор
Lego Mindstorms (EV3 или NXT), штатив с муфтой и лапкой,  планшет или экран (15×15 см), ноутбук.

 

Инструкция
по сборке конструкции и использованию программы:

1.     Собрать установку (рис. 11), используя
пошаговую инструкцию (см. приложение «04_Инструкции по сборке» (адрес файла:
04_Инструкции по сборке\Инструкции в HTML\Узел с моторами\Building Instructions [No Name].html). Полезно посмотреть интерактивную
трехмерную  модель собранной конструкции
(см. приложение «04_Инструкции по сборке» (адрес файла: [url="file:///C:/Users/%D0%9C%D0%93/YandexDisk/_%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0/%D0%94%D0%BB%D1%8F%20%D0%B4%D0%B8%D1%81/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8%202014/04_%D0%98%D0%BD%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%20%D1%81%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BA%D0%B5/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%8B%20Lego%20Digital%20Designer/%D0%A1%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BA%D0%B0.lxf"]04_Инструкции
по сборке\Проекты Lego Digital Designer\Сборка.lxf[/url]). Для запуска данного
файла необходимо установить программу «Lego Digital Designer»

2.     Закрепить конструкцию на штативе

3.     Подключить микропроцессорный блок к датчикам и
компьютеру  (см. приложение  «03_Управляющие
программы» / EV3 или NXT/ readme).

4.     Составить управляющую программу Программа
выбирается в соответствии с  используемым
конструктором. Программа должна обеспечивать работу с датчиком расстояния для
измерения длины маятника, рассчитывать по длине маятника частоту и период
свободных колебаний и выводить значения на экран микропроцессора, запускать
вынужденные колебания  маятника,
автоматически менять частоту действия вынуждающей силы, фиксировать  на экране микропроцессора частоту и период действия
 вынуждающей силы.

5.     Запустить программу. Установить и
зафиксировать значение длины нити.

6.     Проверить значений частоты и периода свободных
колебаний маятника по формулам: 2π√(L/g); T = 1/v.

7.     Меняя частоту вынуждающей силы при постоянной
длине нити, добиться возникновения явления резонанса. Зафиксировать
характеристики колебаний маятника. 

8.     Меняя длину нити при постоянной частоте
вынуждающей силы, добиться возникновения явления резонанса. Зафиксировать характеристики
колебаний маятника.

9.      Сформулировать   вывод: 
указать условия,  при которых
возникает явление резонанса.

            Методические рекомендации учителю

Для проведения
лабораторной работы  в зависимости от
количества  лабораторных комплектов по
ОРТ целесообразно разбить коллектив учащихся класса на несколько групп по 3-5
человек в каждой.

Для групп, выбравших второй
вариант выполнения  работы, может
потребоваться помощь в программировании. Если группа не справляется с заданием
в установленное время, то учитель может предложить учащимся  использовать готовую программу для управления
экспериментальной установкой. 

 














Рис. 12. Фрагменты 
лабораторного занятия  «Изучение
явления резонанса» с применением 
образовательной робототехники



Рис. 13. Фрагменты  лабораторного занятия  «Изучение явления резонанса» с
применением  образовательной
робототехники







 



Школьникам,
успешно справившимся с основным лабораторным заданием могут быть предложены
дополнительные задания:

Примеры заданий:


·       
реализовать программное
изменение длины нити и, не меняя частоты вынуждающей силы, за счет
автоматического изменения длины нити добиться наступления явления  резонанса.

·       
задать  звуковые сигналы для обозначения различных
состояний установки.



 

Примечание: для автоматического управления длиной нити необходимо познакомиться с
особенностями работы сервомоторов для  лего-роботов.

          Сервомотор лего-робота представляет
собой шаговый электродвигатель со встроенным датчиком угла поворота. Управление
двигателем можно осуществлять по времени движения, количеству оборотов или углу
поворота с точностью до одного градуса. Соответственные настройки, а также
настройки мощности вращения, направления вращения осуществляются
программно.  Для управления сервомотором
возможны следующие варианты:


Прямое подключение
сервомотора к другому сервомотору. В этом случае управляющий мотор
(вращаемый человеком) работает в режиме генератора и передаёт управляющие
электрические импульсы на управляемый мотор. В этом случае управляемый
сервомотор повторяет направление вращения и угол поворота управляющего
сервомотора. Для удобства вращения ведущего мотора нужно из нескольких
деталей собрать рукоятку.
Управление с помощью
датчиков. Срабатывание любого датчика можно запрограммировать на включение
и выключение сервомотора, изменение направления вращения, на определённое
время работы, количество поворотов или определённый угол поворота. Примеры
использования датчиков:




Управление
с помощью датчиков касания. При использовании двух датчиков можно,
например, переключать направление вращения мотора с прямого на обратное.
Управление
с помощью датчика света (цвета). В этом случае управляющим событием
станет срабатывание датчика на чёрный, белый или серый цвет
(хроматическая шкала от белого до чёрного цвета имеет сто условных единиц).
В случае датчика цвета срабатывание происходит на поднесённые предметы
определённого цвета.





Управление
с помощью датчика угла поворота встроенного в сервомотор. В этом случае
дополнительный мотор подключается к микропроцессорному блоку. С него программа
считывает угол поворота. Различные значения угла поворота являются
управляющими событиями для программы. 




Фрагменты выполнения
учащимися лабораторной работы представлены в приложении «[url="file:///C:/Users/%D0%9C%D0%93/YandexDisk/_%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0/%D0%94%D0%BB%D1%8F%20%D0%B4%D0%B8%D1%81/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8%202014/01_%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE"]01_Фото[/url]»
в папке «[url="file:///C:/Users/%D0%9C%D0%93/YandexDisk/_%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0/%D0%94%D0%BB%D1%8F%20%D0%B4%D0%B8%D1%81/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8%202014/01_%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE/%D0%9B%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D1%8B"]Лабораторные работы[/url]».


 

Вариант 3

Цели
работы:


Освоение опыта самостоятельного
проектирования и сборки роботизированной конструкции для демонстрации
явления резонанса.
Написание программы для  управления лабораторной установкой.
Проведение эксперимента по выявлению
условий возникновения явления резонанса .


 

Оборудование:
шарик на нити, базовый и
ресурсный наборы Lego Mindstorms (EV3 или NXT), штатив с муфтой и лапкой,  экран (15×15 см), ноутбук.

Задание: cконструировать установку для демонстрации
явления резонанса на примере колебаний маятника на нити, составить программу
для управления работой установки и провести эксперимент, сформулировать выводы.

 

Часть 3.
Демонстрации и лабораторные работы, моделирующие использование автоматизированной
конструкции в технике

 

Примером практического
применения рассмотренной выше роботизированной установки является процедура
определения наступления явления резонанса и реализация соответствующей стратегии
поведения «системы». Широкое применение явления резонансного колебания
наблюдается в таких сферах общественной деятельности, как: строительство
зданий, работа турбинных двигателей и.т.д.

Добавив в конструкцию датчик света (рис. 7) и
используя соответствующее программное обеспечение можно продемонстрировать одно
из практических применений явления резонанса. 
При возрастании амплитуды колебаний маятника до некоторого критического
значения  (при попадании маятника в
область действия датчика света) микропроцессорный блок издает звуковой сигнал и
электродвигатель, возбуждающий колебания маятника, прекращает работу.

Программа для
демонстрации технического применения представлена в приложении  05 Техника (файл «primenenie», адрес файла: [url="file:///C:/Users/%D0%9C%D0%93/YandexDisk/_%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0/%D0%94%D0%BB%D1%8F%20%D0%B4%D0%B8%D1%81/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8%202014/03_%D0%A3%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D1%8F%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B5%20%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B3%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC%D1%8B/NXT/priminenie.rbt"]03_Управляющие
программы\NXT\priminenie.rbt[/url],

 

Часть 4. Учебные и
исследовательские  проекты

 

Выполнение
учебного проекта по образовательной робототехнике  может быть предложено учащимся в рамках
элективного курса по физике или в рамках внеклассных форм учебной работы
(кружковой работы по физике, участия в научно-практических конференциях,
конкурсах, соревнованиях, клубах по интересам 
и др.).

 В
качестве первоначального задания учащимся может быть предложено выполнение
лабораторной работы (второй и третий варианты). Затем  учащиеся могут приступить к самостоятельной разработке
модели применения данной конструкции в технике 


На следующем 
этапе проектной деятельности учащимся могут быть предложены задания по
созданию более сложных конструкций, основанных на применении нескольких
робототехнических комплектов.



Пример задания:  реализуйте возможность программно обеспечивать
на данной экспериментальной установке (рис. 1-7)  возникновение 
условий для наступления явления резонанса и  реакции системы на данное событие.

В процессе работы над
проектом возможны самые различные комбинации использования стандартного
оборудования кабинета физики, конструкторов различных марок и
робототехнического оборудования, дополнительных ресурсных наборов и
датчиков.